一种有机无机杂化含能材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种有机无机杂化含能材料及其制备方法，所述含能材料由有机氧化剂和无机金属燃料组成，其中有机氧化剂选自聚四氟乙烯、氟化石墨烯、全氟羧酸、偏氟乙烯‑三氟氯乙烯1:1共聚物和偏氟乙烯‑三氟氯乙烯1:4共聚物中的任意一种或几种，所述无机金属燃料选自铝、镁、硼、硅和钛中的任意一种或几种，通过有机无机杂化的方式组装含能材料，控制有机氧化剂和无机金属燃料的微观结构和组分的均匀性，形成有机无机杂化含能材料，获得高能量密度的含能材料。

【技术实现步骤摘要】
一种有机无机杂化含能材料及其制备方法
本专利技术涉及含能材料
，具体涉及一种有机无机杂化含能材料及其制备方法，主要用于高能含能材料的制备。
技术介绍
含能材料是武器系统推进和毁伤的能源，对于武器性能发展具有重要的意义。其中如何提高含能材料的高能量密度对于含能材料的发展和武器性能提升非常关键。CHON炸药在武器弹药中应用最为广泛，但因其元素的原子质量小，同时受其元素种类、原子堆砌方式和化学键能的限制，提高密度和能量的空间有限。现有CHON炸药极限密度为2.3g/cm3,爆轰性能提高潜能只有30％，难以满足未来武器对高能量密度含能材料的需求。为了提高CHON炸药的能量密度，研究者在CHON炸药分子中引入新元素，如非金属(F、Cl)、金属元素(Si、B)等。F与O相比，氧化剂更强，原子量更大，因此用F取代O可以提高密度和能量。二氯氨基引入到HMX，可提高HMX的密度(4.7％)、能量(爆压提高26.7％)和比冲(提高4.8％)。美国海军实验室在类似硝铵类炸药(如HMX、RDX)的环状结构中部分引入NF2，以此来提高能量，合成出了3,3,7,7-四(二氟氨基)八氢化-1,5-二硝基-1,5-二氮杂辛烷(HNFX)，但产率仅约为1％。在分子内引入氟元素可以显著提高能量密度，然而合成难度大、产物稳定性差，无法获得可用的高能量含能材料。与非金属相比，金属元素密度更大，化学键能更高，在提升含能材料的能量密度方面具有很大潜力。早期在分子内引入重金属元素如铅(Pb)、铜(Cu)、汞(Hg)等形成的叠氮化物，如叠氮化铅(Pb(N3)2)、斯蒂酚酸铅(PbC8HO2(NO2)3)在起爆药中得到应用。用硼(B)或硅(Si)代替C或H，其热值和密度可大幅度提高，科学家试图在炸药分子内引入此类元素合成BN9，TiN9,Zn(C3H9N9)等，但合成条件苛刻，仅有理论探索价值。另外金属元素一般采用络合方式存在，如金属配合物炸药高氯酸·四氨·双叠氮基合钴(Ⅲ)(1.75g/cm3)和四氨·双(3,5-硝基三唑)合铜(1.81g/cm3)，由于络合剂大的空间位阻限制了含能分子的密度，使得整体密度和CHON炸药相当。在分子内引入金属元素，使得能量密度显著增加，然而稳定性差，合成条件苛刻。前期大量的研究表明，在CHOH这种分子中直接引入非金属和金属元素提高能量密度的方法是不可行的。近年来，为了将非金属和金属元素引入合成在一个分子中，提高含能材料的能量密度，开发了含能金属有机框架化合物(MetalOrganicFrameworks,MOFs)。金属有机框架化合物属于配位聚合物，是一类由离散的金属离子或离子簇通过二啮或多啮配体，如芳香族多元羧酸或多元胺等相互连接并自组装而形成的晶体材料，具有多变的拓扑结构以及特定尺寸的规则孔道。含能金属有机框架化合物的制备方法简单、产率高，通过改变金属离子以及有机配体的种类。但大量的研究发现，含能金属有机框架化合物安全性极差，极易在热、力等刺激下发生爆炸，导致无法使用。
技术实现思路
为了克服上述技术缺陷，本专利技术提供了一种有机无机杂化含能材料及其制备方法，将氟元素以有机物形式作为氧化剂，高活性金属作为燃料，通过有机无机杂化的方式组装含能材料，控制有机氧化剂和无机金属燃料的微观结构和尺寸分布的均匀性，形成有机无机杂化含能材料，获得高能量密度的含能材料。为了达到上述技术效果，本专利技术公开了一种有机无机杂化含能材料，所述含能材料由有机氧化剂和无机金属燃料组成，其中有机氧化剂选自聚四氟乙烯、氟化石墨烯、全氟羧酸、偏氟乙烯-三氟氯乙烯1:1共聚物和偏氟乙烯-三氟氯乙烯1:4共聚物中的任意一种或几种，所述无机金属燃料选自铝、镁、硼、硅和钛中的任意一种或几种。本专利技术还提供了一种有机无机杂化含能材料的制备方法，包括以下步骤：(1)根据化学反应放热量选择有机氧化剂和无机金属燃料；(2)采用物理-化学方法将所述有机氧化剂和无机金属燃料进行杂化组装，得到组分和结构均匀的有机无机杂化含能材料，其中有机氧化剂和无机金属燃料尺寸分布在100纳米范围以内，包括纳米、亚纳米和团簇尺度。进一步的技术方案为，步骤(1)具体为根据有机氧化剂和无机金属燃料反应的生成焓，计算出能量密度，如果能量密度大于HMX(奥克托金)炸药，即可选为本专利技术中的氧化剂和燃料。进一步的技术方案为，所述有机氧化剂选自四氟乙烯、氟化石墨烯、全氟羧酸、偏氟乙烯-三氟氯乙烯1:1共聚物和偏氟乙烯-三氟氯乙烯1:4共聚物中的任意一种或几种。进一步的技术方案为，所述无机金属燃料选自铝、镁、硼、硅和钛中的一种或几种。进一步的技术方案为，所述物理-化学方法包括磁控溅射组装有机-无机杂化含能材料、原位化学反应合成金属燃料组装有机无机杂化含能材料。进一步的技术方案为，所述杂化组装在高纯氩气或高纯氮气保护环境下进行。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)通过杂化结构将有机氧化剂和无机金属燃料进行组装，实现了高能元素的有机复合，为形成高能量密度含能材料的设计和制备提供一种新的思路和方法。(2)通过杂化的方法组装有机氧化剂和金属燃料，配比和组成可调，制备过程和工艺简单，易于批量化制备。(3)组装形成的有机-无机杂化含能材料具有高的能量密度和安全性。具体实施方式实施例1采用磁控溅射方法组装有机-无机杂化含能材料，将有机氧化物PTFE和金属燃料Al的靶材安装在磁控溅射腔内，将腔体内抽真空(2×10-5Pa)，准备就绪后，开启电源，通入高纯Ar(99.9999％)气，循环交替沉积有机物和金属燃料，有机物和无机金属的化学计量比通过时间控制，组装得到有机无机杂化的PTFE和Al含能材料，该含能材料的能量密度可以达到20KJ/cm3。实施例2采用磁控溅射方法组装有机-无机杂化含能材料，将有机氧化物PTFE和金属燃料Mg的靶材安装在磁控溅射腔内，将腔体内抽真空(2×10-5Pa)，准备就绪后，开启电源，通入高纯Ar(99.9999％)气，循环交替沉积有机物和金属燃料，有机物和无机金属的化学计量比通过时间控制，组装得到有机无机杂化的PTFE和Mg含能材料，该含能材料的能量密度可以达到13.2KJ/cm3。实施例3采用磁控溅射方法组装有机-无机杂化含能材料，将有机氧化物PTFE和金属燃料Ti的靶材安装在磁控溅射腔内，将腔体内抽真空(2×10-5Pa)，准备就绪后，开启电源，通入高纯Ar(99.9999％)气，循环交替沉积有机物和金属燃料，有机物和无机金属的化学计量比通过时间控制，组装得到有机无机杂化的PTFE和Ti含能材料，该含能材料的能量密度可以达到8.3KJ/cm3。实施例4采用磁控溅射方法组装有机-无机杂化含能材料，将有机氧化物(PTFE)和金属燃料(B)的靶材安装在磁控溅射腔内，将腔体内抽真空(2×10-5Pa)，准备就绪后，开启电源，通入高纯Ar(99.9999％)气，循环交替沉积有机物和金属燃料，有机物和无机金属的化学计量比通过时间控制，组装得到有机无机杂化的PTFE和B含能材料，该含能材料的能量密度可以达到6.9KJ/cm3。实施例5将有机氟氧化剂(氟化石墨烯)分散在溶剂中，将有机试剂(H3Al·NMe3)加入到含有氟化石墨烯的溶液中，再加入异丙醇钛Ti(O-i-Pr)4，通过化学还本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有机无机杂化含能材料，其特征在于，所述含能材料由有机氧化剂和无机金属燃料组成，其中有机氧化剂选自聚四氟乙烯、氟化石墨烯、全氟羧酸、偏氟乙烯‑三氟氯乙烯1:1共聚物和偏氟乙烯‑三氟氯乙烯1:4共聚物中的任意一种或几种，所述无机金属燃料选自铝、镁、硼、硅和钛中的任意一种或几种。

【技术特征摘要】
1.一种有机无机杂化含能材料，其特征在于，所述含能材料由有机氧化剂和无机金属燃料组成，其中有机氧化剂选自聚四氟乙烯、氟化石墨烯、全氟羧酸、偏氟乙烯-三氟氯乙烯1:1共聚物和偏氟乙烯-三氟氯乙烯1:4共聚物中的任意一种或几种，所述无机金属燃料选自铝、镁、硼、硅和钛中的任意一种或几种。2.一种有机无机杂化含能材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据化学反应放热量选择有机氧化剂和无机金属燃料；(2)采用物理-化学方法将所述有机氧化剂和无机金属燃料进行杂化组装，得到组分和结构均匀的有机无机杂化含能材料，其中有机氧化剂和无机金属燃料的尺寸分布在100纳米范围以内，包括纳米、亚纳米和团簇尺寸。3.根据权利要求2所述的有机无机杂化含能材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为根据有机氧化剂和无机金属燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，张龙，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51